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Extension of thermodynamic insights on batch extractive distillation to continuous operation

Shen, Weifeng (2012) Extension of thermodynamic insights on batch extractive distillation to continuous operation. (Conception des procédés de distillation extractive continue basée sur des critères de faisabilité thermodynamique de la distillation extractive discontinue.)

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Abstract

Nous étudions la faisabilité du procédé de distillation extractive continue pour séparer des mélanges azéotropiques A-B à température de bulle minimale ou maximale, avec un tiers corps E lourd ou léger. Les mélanges ternaires A-B-E appartiennent aux classes 1.0-1-a et 1.0-2 qui se subdivisent chacune en deux souscas selon la position de la courbe d'univolatilité. La colonne de distillation a trois sections, rectification, extractive, épuisement. Nous établissons les équations décrivant les profiles de composition liquide dans chaque section en fonction des paramètres opératoires: pureté et taux de récupération du distillat, taux de reflux ratio R et rapport des débits d'alimentation FE/F dans le cas d'un tiers corps lourd ; pureté et taux de récupération du produit de pied, taux de rebouillage S et rapport des débits d'alimentation FE/F dans le cas d'un tiers corps léger. Avec un tiers corps lourd alimenté comme liquide bouillant au dessus de l'étage d'alimentation du mélange A-B, nous identifions le distillat atteignable et les plages de valeurs faisables des paramètres R et FE/F à partir du critère général de faisabilité énoncé par Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2009, 48(7), 3544–3559). Pour la classe 1.0-1a, il existe des rapport FE/F et reflux ratio minimum. Le rapport FE/F est plus important pour le procédé continu que pour le procédé discontinu parce que la faisabilité du procédé continu nécessite que les profils d'épuisement et extractifs s'intersectent. Pour la classe 1.0-2, les deux constituants A et B sont des distillats potentiels, l'un sous réserve que le rapport FE/F reste inférieur à une valeur limite maximale. Le procédé continu exhibe également une valeur minimale de FE/F à un taux de reflux ratio donné, contrairement au procédé discontinu. Avec un tiers corps léger alimenté comme vapeur saturante sous l'étage d'alimentation du mélange A-B, nous identifions le produit de pied atteignable et les plages de valeurs faisables des paramètres S et FE/F à partir du critère général de faisabilité énoncé par Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2012, 51, 4643–4660). Comparé au cas des tiers corps lourds, le produit principal est obtenu en pied. Autrement, les comportements des classes 1.0-1a et 1.0-2 sont analogues entre les tiers corps léger et lourd. Avec un tiers corps léger, le procédé continu ajoute la contrainte que les profils de rectification et extractifs s'intersectent. La contrainte d'intersection des profils d'épuisement et extractif est partagée par les deux modes opératoires continu et discontinu. Ce travail valide la méthodologie proposée pour évaluer la faisabilité du procédé de distillation extractive continue et permet de comparer les tiers entre eux en termes de taux de reflux ratio minimum et de rapport de débit d'alimentation minimal. ABSTRACT : We study the continuous extractive distillation of minimum and maximum boiling azeotropic mixtures A-B with a heavy or a light entrainer E, intending to assess its feasibility based on thermodynamic insights. The ternary mixtures belong to the common 1.0-1a and 1.0-2 class ternary diagrams, each with two sub-cases depending on the univolatility line location. The column has three sections, rectifying, extractive and stripping. Differential equations are derived for each section composition, depending on operating parameters: distillate product purity and recovery, reflux ratio R and entrainer – feed flow rate ratio FE/F for the heavy case; bottom product purity and recovery, reboil ratio and entrainer – feed flow rate ratio for the light entrainer case. For the case with a heavy entrainer fed as a boiling liquid above the main feed, the feasible product and operating parameters R and FE/F ranges are assessed under infinite reflux ratio conditions by using the general feasibility criterion enounced by Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2009, 48(7), 3544–3559). For the 1.0-1a class, there exists a minimum entrainer - feed flow rate ratio to recover the product, and also a minimum reflux ratio. The minimum entrainer - feed flow rate ratio is higher for the continuous process than for the batch because of the additional requirement in continuous mode that the stripping profile intersects with the extractive profile. For the 1.0-2 class both A and B can be distillated. For one of them there exists a maximum entrainer - feed flow rate ratio. The continuous process also has a minimum entrainer - feed flow rate ratio limit for a given feasible reflux ratio. For the case with a light entrainer fed as saturated vapor below the main feed, the feasible product and operating parameters S and FE/F ranges are assessed under infinite reflux ratio conditions by using the general feasibility criterion enounced by Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2012, 51, 4643–4660), Compared to the heavy entrainer case, the main product is removed from the column bottom. Similar results are obtained for the 1.0-1a and 1.0-2 class mixtures whether the entrainer is light or heavy. With a light entrainer, the batch insight about the process feasibility holds for the stripping and extractive sections. Now, an additional constraint in continuous mode comes from the necessary intersection between the rectifying and the extractive sections. This work validates the proposed methodology for assessing the feasibility of continuous extractive distillation processes and enables to compare entrainers in terms of minimum reflux ratio and minimum entrainer feed flow rate ratio.

Department:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Vincent, Gerbaud
Uncontrolled Keywords:Distillation extractive - Courbes d'uni volatilité - Taux de reflux ratio - Taux de solvant - Entraîneur lourde - Entraîneur légerère. KEYWORDS : Extractive distillation - Feasibility -Thermodynamic insight - Univolatility line - Unidistribution line - Reflux ratio - Entrainer - Feed flow rate ratio - Reboil ratio - Heavy entrainer - Light entrainer
Subjects:Chemical engineering > Process system engineering
Deposited On:13 December 2012

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